專利名稱：股骨三維模型可視化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
股骨是ー種典型的人體長骨，具有不規(guī)則的空間結(jié)構(gòu)，由兩端的松質(zhì)骨和中間的管狀皮質(zhì)骨構(gòu)成。股骨三維模型的可視化，對于股骨骨折的術(shù)前診斷和手術(shù)計劃的制定都具有極其重要的意義。目前國內(nèi)骨折的影像顯示主要采用直接數(shù)字X光圖像DR(DigitalRadiography)，但該方法最大的缺陷在于ニ維投影成像，導(dǎo)致影像重疊，丟失了大量三維的空間信息，而這些三維信息對于醫(yī)生的臨床診斷恰恰是十分重要的；另一方面，現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)三維可視化技術(shù)如計算機斷層掃描成像CT (Computer Tomography)雖然可以獲得研究對象的精確三維結(jié)構(gòu)形態(tài)，但其體積龐大，不適于在突發(fā)情況下的骨折影像顯示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有采用直接數(shù)字X光圖像DR無法獲取三維空間信息，而采用CT由于體積龐大不適于在突發(fā)情況下的股骨影像顯示的問題，提供了ー種股骨三維模型可視化方法。本發(fā)明所述股骨三維模型可視化方法，它包括以下步驟步驟一、建立通用股骨三維模型，通過通用股骨三維模型的正位投影獲取通用股骨的正位股骨三維模型投影輪廓，通過通用股骨三維模型的側(cè)位投影獲取通用股骨的側(cè)位股骨三維模型投影輪廓；步驟ニ、對待建模的股骨正位DR圖像和股骨側(cè)位DR圖像進行預(yù)處理，提取股骨正位DR圖像中的股骨邊緣輪廓獲得正位股骨邊緣輪廓，提取股骨側(cè)位DR圖像中的股骨邊緣輪廓獲得側(cè)位股骨邊緣輪廓；步驟三、對步驟ニ提取的待建模的股骨正位DR圖像的邊緣輪廓與步驟一所述的通用正位股骨三維模型投影輪廓進行仿射配準，確定正位圖像的配準變換關(guān)系；對步驟ニ提取的待建模的股骨側(cè)位DR圖像的邊緣輪廓與步驟一所述的通用側(cè)位股骨三維模型投影輪廓進行仿射配準，確定側(cè)位圖像的配準變換關(guān)系；步驟四、根據(jù)步驟三獲得的正位圖像的配準變換關(guān)系和側(cè)位圖像的配準變換關(guān)系確定股骨三維模型的姿態(tài)，實現(xiàn)股骨的三維模型的可視化。本發(fā)明的優(yōu)點相對于已有的醫(yī)學(xué)三維可視化方法，本發(fā)明利用雙平面DR圖像實現(xiàn)股骨的三維模型可視化，成本低，操作簡單，有害輻射小，重建圖像比較迅速，能為股骨粉碎性骨折手術(shù)的診斷和手術(shù)計劃的制定提供可靠的三維影像學(xué)信息。采用本發(fā)明所述方法使骨折斷端移位情況顯示得更加立體直觀，醫(yī)生不必再憑借經(jīng)驗估計骨折的類型和損傷的情況，減少了漏檢和誤診的發(fā)生率，對術(shù)前手術(shù)計劃的制定和手術(shù)方式的選擇有重要意義。


圖I為本發(fā)明的框圖示意圖，圖2至圖5為具體實施方式
四中能量泛函與邊界曲線關(guān)系的示意圖，其中圖2是邊界曲線包含邊緣輪廓的示意圖，圖3是邊界曲線在邊緣輪廓內(nèi)部的示意圖，圖4是邊界曲線穿過邊緣輪廓的示意圖，圖5是邊界曲線對應(yīng)邊緣輪廓的示意圖，圖6為具體實施方式
ニ中三維點與其在ニ維圖像上的投影點之間變換關(guān)系的示意圖，圖7為具體實施方式
ニ中通用股骨的三維模型示意圖，圖8為具體實施方式
五中仿射配準前待建模的股骨正位DR圖像輪廓和通用股骨正位投影輪廓的示意圖，圖中粗線表示待建模的股骨正位DR圖像輪廓，細線表示通用股骨正位投影輪廓；圖9為具體實施方式
五中仿射配準后待建模的股骨正位DR圖像輪廓和通用股骨正位投影輪廓的示意圖，圖10是三維姿態(tài)估計后的股骨三維模型示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結(jié)合圖I說明本實施方式，本實施方式所述股骨三維模型可視化方法，它包括以下步驟 步驟一、建立通用股骨三維模型，通過通用股骨三維模型的正位投影獲取通用股骨的正位股骨三維模型投影輪廓，通過通用股骨三維模型的側(cè)位投影獲取通用股骨的側(cè)位股骨三維模型投影輪廓；步驟ニ、對待建模的股骨正位DR圖像和股骨側(cè)位DR圖像進行預(yù)處理，提取股骨正位DR圖像中的股骨邊緣輪廓獲得正位股骨邊緣輪廓，提取股骨側(cè)位DR圖像中的股骨邊緣輪廓獲得側(cè)位股骨邊緣輪廓；步驟三、對步驟ニ提取的待建模的股骨正位DR圖像的邊緣輪廓與步驟一所述的通用正位股骨三維模型投影輪廓進行仿射配準，確定正位圖像的配準變換關(guān)系；對步驟ニ提取的待建模的股骨側(cè)位DR圖像的邊緣輪廓與步驟一所述的通用側(cè)位股骨三維模型投影輪廓進行仿射配準，確定側(cè)位圖像的配準變換關(guān)系；步驟四、根據(jù)步驟三獲得的正位圖像的配準變換關(guān)系和側(cè)位圖像的配準變換關(guān)系確定股骨三維模型的姿態(tài)，實現(xiàn)股骨的三維模型的可視化。
具體實施方式
ニ 結(jié)合圖6和圖7說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述股骨三維模型可視化方法的進ー步限定，步驟一中建立通用股骨三維模型，通過通用股骨三維模型進行正側(cè)位投影獲取通用股骨三維模型投影輪廓的過程為步驟一一、選取ー個通用股骨對其進行CT掃描，獲取通用股骨的CT片，根據(jù)通用股骨的CT片構(gòu)建出通用股骨三維模型；步驟一二、對通用股骨三維模型進行正位投影獲取正位通用股骨三維模型的投影輪廓，對通用股骨三維模型進行側(cè)位投影獲取側(cè)位通用股骨三維模型的投影輪廓，具體為三維點與其在ニ維圖像上的投影點之間有如下變換關(guān)系
M ド；
FV = A1A2 w(I)
I
Li
其中(XW，YW，ZW)是點P在世界坐標系下的三維坐標；(u，v)是該點ニ維像素坐標系下的ニ維投影坐標A1為內(nèi)參數(shù)矩陣，描述了相機幾何及光學(xué)特性參數(shù)；A2為外參數(shù)矩陣，描述了相機在世界坐標系的位置和姿態(tài)。這里設(shè)模板平面在世界坐標系的Zw = 0的平面上，不失一般性。則(I)式能改寫為
權(quán)利要求
1.股骨三維模型可視化方法，其特征在于，它包括以下步驟 步驟一、建立通用股骨三維模型，通過通用股骨三維模型的正位投影獲取通用股骨的正位股骨三維模型投影輪廓，通過通用股骨三維模型的側(cè)位投影獲取通用股骨的側(cè)位股骨三維模型投影輪廓； 步驟ニ、對待建模的股骨正位DR圖像和股骨側(cè)位DR圖像進行預(yù)處理，提取股骨正位DR圖像中的股骨邊緣輪廓獲得正位股骨邊緣輪廓，提取股骨側(cè)位DR圖像中的股骨邊緣輪廓獲得側(cè)位股骨邊緣輪廓； 步驟三、對步驟ニ提取的待建模的股骨正位DR圖像的邊緣輪廓與步驟一所述的通用正位股骨三維模型投影輪廓進行仿射配準，確定正位圖像的配準變換關(guān)系； 對步驟ニ提取的待建模的股骨側(cè)位DR圖像的邊緣輪廓與步驟一所述的通用側(cè)位股骨三維模型投影輪廓進行仿射配準，確定側(cè)位圖像的配準變換關(guān)系； 步驟四、根據(jù)步驟三獲得的正位圖像的配準變換關(guān)系和側(cè)位圖像的配準變換關(guān)系確定股骨三維模型的姿態(tài)，實現(xiàn)股骨的三維模型的可視化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的股骨三維模型可視化方法，其特征在于，步驟三中所述的正位圖像的配準變換關(guān)系和側(cè)位圖像的配準變換關(guān)系包含了八個自由度的配準參數(shù){a，運，tx，ty，tz，sx，sy，sz}，其中a為繞X軸的旋轉(zhuǎn)角度、P為繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角度、‘為沿X軸的平移量、ty為沿Y軸的平移量、tz為沿Z軸的平移量、Sx為沿X軸的比例系數(shù)、Sy為沿Y軸的比例系數(shù)和Sz為沿Z軸的比例系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的股骨三維模型可視化方法，其特征在于，步驟四中，實現(xiàn)股骨的三維模型的可視化的過程為 設(shè)由步驟一得到的通用股骨三維模型繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角度為Y，將步驟三配準獲得的待建模的股骨的邊緣輪廓與通用股骨三維模型投影輪廓之間的八個配準參數(shù){a，0，tx，ty，tz，sx, sy, sj與Y構(gòu)成的三維變換關(guān)系矩陣G作用在通用股骨三維模型上，以固定步長0.5°改變Y來調(diào)整通用股骨三維模型的三維姿態(tài)，并對其做正向投影，通過計算投影輪廓與股骨邊緣輪廓的誤差E，估計通用股骨三維模型繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)待建模的股骨的三維姿態(tài)估計，完成股骨三維模型姿態(tài)的可視化。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述股骨三維模型可視化方法，其特征在于，步驟一中建立通用股骨三維模型，通過通用股骨三維模型進行正側(cè)位投影獲取通用股骨三維模型投影輪廓的過程為 步驟一一、選取ー個通用股骨對其進行CT掃描，獲取通用股骨的CT片，根據(jù)通用股骨的CT片構(gòu)建出通用股骨三維模型； 步驟一二、對通用股骨三維模型進行正位投影獲取正位通用股骨三維模型的投影輪廓，對通用股骨三維模型進行側(cè)位投影獲取側(cè)位通用股骨三維模型的投影輪廓，具體為 三維點與其在ニ維圖像上的投影點之間有如下變換關(guān)系 M ド； V= A1A1 マ(I) Iw Li 其中(xw，Yw，Zw)是點P在世界坐標系下的三維坐標；(u，V)是該點在ニ維像素坐標系下的ニ維投影坐標A1為內(nèi)參數(shù)矩陣-A為外參數(shù)矩陣； 設(shè)模板平面在世界坐標系的Zw = O的平面上，則(I)式能改寫為
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述股骨三維模型可視化方法，其特征在于，步驟ニ中對待建模的的股骨正位DR圖像和股骨側(cè)位DR圖像進行預(yù)處理的過程為對待建模的的股骨正位DR圖像和股骨側(cè)位DR圖像進行中值濾波。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述股骨三維模型可視化方法，其特征在于，步驟ニ中提取待建模的正位股骨邊緣輪廓和待建模的側(cè)位股骨邊緣輪廓的過程相同，其中提取待建模的正位股骨邊緣輪廓的過程為 步驟ニー、C為待提取的正位股骨邊緣輪廓曲線，初始化該閉合曲線C = Ctl，所述閉合曲線置于股骨正位DR圖像上，C0為任意形狀的閉合曲線； 采用無邊緣活動輪廓模型在股骨正位DR圖像中進行全局邊緣檢測，提取待建模的正位股骨邊緣輪廓，無邊緣活動輪廓模型定義最小化能量泛函為
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述股骨三維模型可視化方法，其特征在于，步驟三中的變換關(guān)系的獲取過程為步驟三--、由待建模的股骨邊緣輪廓上的點構(gòu)成參考圖像點集P，P = Ip1, P2,,Pi}，i = 1，2，. . . n，n為正整數(shù)；由通用股骨三維模型投影輪廓上的點構(gòu)成浮動圖像點集Q，Q = Iq1, Q2, , QiI，并對兩個點集進行采樣，保證數(shù)據(jù)量相等； 步驟三一二、將參考圖像點集P與浮動圖像點集Q代入公式(15)中，依據(jù)最小ニ乘準則進行參數(shù)優(yōu)化，獲得a，^ , tx, ty, tz, sx, sy, Sz共八個自由度的配準變換參數(shù)；
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述股骨三維模型可視化方法，其特征在干，步驟四所述三維變換關(guān)系矩陣G滿足公式
全文摘要
股骨三維模型可視化方法，涉及圖像處理領(lǐng)域，它為了解決現(xiàn)有采用直接數(shù)字X光圖像DR無法獲取三維空間信息，而采用CT由于體積龐大不適于在突發(fā)情況下的骨折影像顯示的問題，它包括以下步驟步驟一、建立通用股骨三維模型；步驟二、對待建模的股骨正位DR圖像和股骨側(cè)位DR圖像進行預(yù)處理；步驟三、確定正位圖像的配準變換關(guān)系，確定側(cè)位圖像的配準變換關(guān)系；步驟四、實現(xiàn)待建模的股骨的三維姿態(tài)估計，完成股骨三維模型姿態(tài)的可視化。本發(fā)明利用雙平面DR圖像實現(xiàn)股骨的三維模型可視化，成像迅速。適用于股骨三維影像顯示。
文檔編號G06T19/20GK102651145SQ20121009963
公開日2012年8月29日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者孫紹斌, 孫金瑋, 孟尚, 張斌 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 哈爾濱理工大學(xué)